4. Cấu trúc nội dung của luận án
3.5.2. Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan
3.5.2.1. Đề xuất cấu trúc
Trên cơ sở những phân tích ở trên, cấu trúc MGD được đề xuất gồm 3 tầng, 3 cặp tương quan Sớm, Muộn. Đồng thời, một cấu trúc DLL dựa trên cấu trúc đó được đề xuất áp dụng. Hàm đầu ra của bộ so pha ở dạng “noncoherent”, và được tạo bởi sự kết hợp tuyến tính của các đầu ra đã được bình phương của các bộ tương quan sớm và các bộ tương quan muộn. Như vậy, đầu ra của bộ so pha là sự kết hợp có trọng số của 3 cặp tương quan sớm – muộn. Đầu ra của bộ tương quan đúng không được sử dụng để tạo hàm đầu ra bộ so pha. Hàm đầu ra bộ so pha này được biểu diễn:
3 2 2 1 ( ) i i i p M GD i D a E L (3.29)
Trong cấu trúc này, khoảng lệch của các cặp tương quan sớm – muộn được lựa chọn:
1
i i
(3.30)
trong đó, là khoảng lệch của cặp tương quan sớm – muộn nằm sát bộ tương quan đúng, hay là cặp tương quan sớm – muộn có khoảng lệch nhỏ nhất. Lưu ý rằng, khác với cấu trúc như mô tả ở (3.27), cấu trúc đề xuất có nhiều cách để lựa chọn mối quan hệ giữa các
khoảng lệch sớm muộn của các cặp tương quan. Bên cạnh đó, các hệ số ( ) trong cấu trúc đề xuất sẽ được tối ưu nhằm đạt được hai tiêu chí: (i) đầu ra bộ so pha không còn điểm khóa nhầm; (ii) hiệu quả giảm nhiễu đa đường tốt.
Với việc lựa chọn khoảng lệch sớm – muộn theo (3.30), các bộ tương quan Sớm, Muộn này cách đều nhau. Để thuận tiện và cũng không mất đi tính tổng quát, trong (3.29), hệ số được đặt . Các hệ số ( ) còn lại được lựa chọn, điều chỉnh và tối ưu để đạt được những tiêu chí cần thiết. Cấu trúc MGD này được minh họa ở Hình 3.13. Do đầu ra tương quan không có trong thành phần hàm so pha nên không được biểu diễn ở hình vẽ nhằm thuận tiện cho việc quan sát.
Trong cấu trúc được đề xuất, tại khối bám mã PRN, tín hiệu định vị GNSS được thực hiện tính toán sự tương quan với ; ( ) bản sao tín hiệu được tạo ra ở bên trong bộ thu. Các bản sao này bao gồm: 03 bản sao Sớm, 03 bản sao Muộn và 01 bản sao Đúng. Các kết quả tính tương quan nhận được được xử lý tính tổng tích lũy dạng kết hợp. Để tăng mức công suất của các kết quả tương quan nhận được so với mức tạp âm, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng của quá trình tách sóng mang, bộ thu GNSS tiếp tục thực hiện quá trình tính tổng tích lũy dạng không kết hợp. Hàm đầu ra của bộ so pha được biểu diễn thông qua các hàm tương quan: 3 2 2 1 ( ) i i/ 2 i/ 2 p M GD i D a R R (3.31) Do đã đặt nên (3.31) trở thành: 1 2 1 2 3 2 2 2 / 2 / 2 / 2 / 2 ( ) i i i i p M GD R R a R R D (3.32)
Hình 3.13. Sơ đồ khối cấu trúc MGD đề xuất
Việc lựa chọn các hệ số ( ảnh hưởng rất nhiều đất chất lượng, hiệu năng hoạt động của khối bám mã khi có sự tác động của thành phần đa đường. Bên cạnh đó, việc lựa chọn các hệ số này ảnh hưởng đến đặc tính đầu ra của bộ so pha. Tuy nhiên, lựa chọn các hệ số
để đạt được kết quả tối ưu cả về đặc tính đầu ra của bộ so pha cũng như hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường là một việc rất khó khăn. Ngoài ra, với mỗi thành phần đa đường có biên độ, pha và độ trễ khác nhau, đặc tính đầu ra của bộ so pha thay đổi và hiệu năng giảm nhiễu đa đường khác nhau. Vì vậy, để lựa chọn được bộ hệ số ( nhằm đạt được sự cân bằng về đặc tính đầu ra bộ so pha và hiệu quả giảm nhiễu đa đường, các hệ số ( được lựa chọn trong bối cảnh không có sự tham gia của thành phần đa đường, chỉ có thành phần tín hiệu LOS để tối ưu đặc tính đầu ra bộ so pha. Trên cơ sở các kết quả đạt được xem xét tác động của thành phần đa đường ứng với mỗi trường hợp để tìm ra một trường hợp có hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường tốt nhất.
Tiêu chí để đánh giá đặc tính đầu ra bộ so pha đó chính là hàm đầu ra bộ so pha chỉ có một điểm cắt 0 là điểm cắt 0 đúng ứng với độ lệch bằng 0 giữa mã PRN trong tín hiệu định vị thu được và mã PRN tạo ra ở bộ thu. Các tiêu chí khác cũng được xem xét và đánh giá đặc tính đầu ra bộ so pha như vùng làm việc ổn định và vùng làm việc tuyến tính của bộ so pha. Những tiêu chí này quyết định tính ổn định của bộ so pha trong quá trình hoạt động bám mã.
3.5.2.2. Tối ưu các hệ số trong cấu trúc MGD
Nâng cao độ chính xác – tránh bám nhầm với tín hiệu BOCs(n,n)
Giai đoạn thứ nhất của quá trình tối ưu nhằm tìm ra các cặp hệ số để hàm đầu ra của bộ so pha không còn các điểm khóa nhầm. Tuy nhiên, cần lưu ý điều này chỉ xảy ra khi xét trong bối cảnh chỉ có một thành phần tín hiệu LOS. Sự tham gia của thành phần tín hiệu đa đường có thể làm xuất hiện hoặc không các điểm khóa nhầm này. Nhưng ảnh hưởng của thành phần đa đường được đánh giá ở giai đoạn tiếp theo. Do đó, trong giai đoạn này thành phần tín hiệu tới anten của bộ thu GNSS chỉ bao gồm một thành phần LOS. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của tạp âm và băng thông của bộ lọc ở đầu cuối cao tần chưa được xét đến. Về mặt hình học, đáp ứng đầu ra của bộ so pha không có các điểm khóa phụ (cũng chính là điểm khóa nhầm) nếu dạng của hàm đầu ra phải có đặc điểm ở mỗi bên của điểm khóa chính (điểm khóa đúng nằm ở vị trí lệch 0) phải có dấu không đổi. Do vậy, đáp ứng đầu ra của bộ so pha phải thỏa mãn điều kiện sau:
( ) 0 , 0 1( ) ( ) 0 , -1 0( ) p M GD p M GD D chip D chip (3.33)
Biểu thức (3.33) đồng nghĩa với vùng làm việc ổn định của bộ so pha mã trải rộng thành
. Thông thường, vùng làm việc ổn định của bộ so pha cho tín hiệu ( chỉ là
như minh họa ở Hình 3.14 với các giải pháp NC, DDC và MGD. Như vậy, với giải pháp được đề xuất này, vùng ổn định của bộ so pha cho tín hiệu ( được mở rộng tương đương với tín hiệu BPSK. Ở trong Hình 3.14, đầu ra bộ so pha của giải pháp MGD cũng đã được minh họa với các hệ số nhưng đặc tính
của hàm đầu ra bộ so pha này vẫn xuất hiện các điểm khóa phụ. Rõ ràng các hệ số này không thể lựa chọn một cách tùy ý để có thể đạt được tiêu chí đề ra ban đầu.
Hình 3.14.Đặc tính đáp ứng bộ so pha EMLP cấu trúc NC, DDC và MGD với 1=0.2chip Bên cạnh đó, trong biểu thức (3.29), hàm đầu ra của bộ so pha trong cấu trúc MGD tương đương với tổng của ba hàm đầu ra (với trọng số khác nhau) của ba bộ so pha trong giải pháp NC loại EMLP đó là: . Hình 3.15 minh họa các đầu ra của các bộ so pha dạng NC – EMLP ứng với 3 cặp tương quan trong cấu trúc MGD ứng với khoảng lệch sớm – muộn khác nhau của cặp tương quan thứ nhất. Các hàm đầu ra bộ so pha dạng NC – EMLP hầu hết đều tồn tại hai điểm khóa phụ bên cạnh một điểm khóa chính khi thực hiện với tín hiệu định vị ( . Khi khoảng lệch sớm – muộn có giá trị nhỏ ( chip) ứng với Hình 3.15 (trái), các điểm khóa phụ của các hàm đầu ra này có vị trí gần như trùng nhau. Nói theo cách khác, hàm đầu ra của 3 bộ so pha này thay đổi dấu trong các khoảng lệch mã rất giống nhau. Vì vậy, khi thực hiện tính tổng của 3 đáp ứng bộ so pha này để đạt được đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD không thể loại bỏ được các điểm khóa phụ. Ngược lại, khi khoảng lệch sớm muộn tăng lên ứng với Hình 3.15 (phải), các điểm khóa phụ của ba hàm đầu ra ở các vị trí khác nhau. Do đó, bằng việc điều chỉnh các trọng số ứng với các hàm đầu ra này (các cặp ( ) đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD có thể không còn các điểm khóa phụ (thỏa mãn điều kiện (3.33)).
Mặt khác, xét tới hình dạng của hàm tự tương quan ACF cùng với vị trí các đầu ra của các bộ tương quan trong cấu trúc MGD ứng với các giá trị khác nhau của khoảng lệch sớm – muộn như minh họa ở Hình 3.16. Để có thể tối ưu được các hệ số, cần ít nhất một cặp tương quan sớm – muộn có đầu ra nằm ở các vị trí khác biệt so với hai cặp tương quan sớm – muộn còn lại. Cụ thể ở đây, một cặp tương quan sớm – muộn nằm lệch ra ngoài đỉnh chính của hàm ACF. Điều đó tạo ra sự thay đổi trạng thái của hàm đầu ra dạng NC – EMLP này khác biệt so với hai hàm đầu ra dạng NC – EMLP còn lại. Việc nằm ngoài đỉnh chính của hàm ACF này tương đương với lớn hơn nửa độ rộng đỉnh chính.
Hình 3.15. Đặc tính đáp ứng của 3 bộ so pha dạng NC – EMLP ứng với 3 cặp tương quan trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải)
Hình 3.16. Hàm ACF và vị trí các điểm ứng với giá trị đầu ra của 3 cặp tương quan trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải)
Cuối cùng, với cấu trúc MGD được đề xuất ở đây có số cặp tương quan sớm – muộn
và khoảng lệch sớm – muộn tuân theo quy luật thì điều kiện để có thể tối ưu được các hệ số là .
Bảng 3.3. Số lượng tổ hợp giá trị hệ số được tối ưu ở giai đoạn thứ nhất của cấu trúc MGD
Khoảng lệch sớm – muộn [chip] Số lượng tổ hợp ( ) tối ưu
1 0 .0 5 Không tồn tại 1 0 .1 Không tồn tại 1 0 .1 5 Không tồn tại 1 0 .2 25 1 0.25 112 1 0.3 127 1 0 .3 5 127 1 0 .4 124 1 0.45 125
Thực hiện tối ưu các hệ số của cấu trúc MGD với khoảng giá trị [ ] (việc lựa chọn khoảng giá trị này tương ứng với việc chuẩn hóa ( ) theo giá trị của hệ số và cũng không mất đi tính tổng quát của bài toán) và bước dịch của các hệ số là , các bộ hệ số ( ) nhận được khá nhiều ứng với mỗi giá trị của và được tổng hợp ở Bảng 3.3.
Như vậy, tồn tại khá nhiều cặp giá trị hệ số ( ) có thể đáp ứng được yêu cầu về một hàm đầu ra của bộ so pha mà chỉ có một điểm cắt 0. Căn cứ vào bảng, nhận thấy khi giá trị của khoảng lệch sớm – muộn càng tăng thì số lượng hệ số ( ) đáp ứng yêu cầu càng tăng lên. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi khoảng lệch sớm – muộn tăng lên, vị trí của các đầu ra của các bộ tương quan sớm và muộn dịch chuyển ra xa khỏi so với đầu ra của bộ tương quan đúng và càng có khả năng lệch ra khỏi đỉnh chính của hàm ACF. Nếu các đầu ra của các bộ tương quan sớm và muộn nằm phân bố ở các đỉnh chính và đỉnh phụ khác nhau của hàm ACF thì sự thay đổi trạng thái của các hàm đầu ra dạng NC – EMLP khác nhau. Vì vậy, việc xác định được cặp hệ số ( ) trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, khi tăng khoảng lệch sớm – muộn lên cao cũng đồng nghĩa với khả năng chống nhiễu đa đường của cấu trúc MGD giảm xuống. Mặt khác, khi tăng khoảng lệch sớm – muộn lên cần phải luôn đảm bảo vị trí các đầu ra của các bộ tương quan sớm, muộn phải luôn nằm ở trong khoảng lệch
giữa mã PRN trong tín hiệu thu được và mã PRN tái tạo ở bộ thu GNSS.
Do số lượng các cặp hệ số ( ) khá nhiều nên ở đây chọn trường hợp để liệt kê các cặp hệ số ( ) (với 25 tổ hợp) như ở trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các hệ số (a2, a3) ứng với 1=0.2chip của cấu trúc MGD
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 2 a -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.4 -0.4 -0.4 3 a 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.7 0.8 0.9 STT 9 10 11 12 13 14 15 16 2 a -0.4 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.2 -0.2 -0.2 3 a 1 0.7 0.8 0.9 1 0.8 0.9 1 STT 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2 a -0.1 -0.1 -0.1 0 0 0.1 0.1 0.2 0.3 3 a 0.8 0.9 1 0.9 1 0.9 1 1 1
Hình 3.17, Hình 3.18, Hình 3.19 minh họa đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD được tối ưu ở giai đoạn này với các cặp hệ số được xác định ứng với các giá trị khác nhau của khoảng lệch sớm – muộn và bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF. Quan sát các hình vẽ, ta nhận thấy thông qua việc lựa chọn các hệ số theo tiêu chí tối ưu được đưa ra ban đầu, các đáp ứng của bộ so pha của cấu trúc MGD không xuất hiện các điểm khoa nhầm. Bộ so pha chỉ có một điểm cắt 0 trong khoảng [ ], điều này cho phép mạch vòng bám mã tránh được hiện tượng bám nhầm. Hơn nữa, do miền ổn định của bộ so pha lớn tương đương bộ so pha của cấu trúc EMLP NC với tín hiệu BPSK ( ) nên ngay cả khi sai số ban đầu lớn, mạch vòng DLL cũng dần hội tụ đến điểm khóa đúng và các sai số về bám mã lớn hơn
(ứng với hai điểm khóa nhầm của EMLP cho tín hiệu ( ) cũng không gây ra mất trạng thái khóa của mạch vòng).
Hình 3.17. Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 0.2 ; 2, 3 0.5; 0.6
chip a a (trái) và 1 0.25chip;a2,a3 0.7; 0.8(phải)
Hình 3.18. Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 0.3 ; 2, 3 0.5; 0.6
chip a a (trái) và 1 0.35chip;a2,a3 0.3; 0.6(phải)
Hình 3.19. Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 0.4 ; 2, 3 0.9; 0.1
Tối ưu hiệu năng giảm nhiễu đa đường
Như đã trình bày ở phần trên, sau giai đoạn tối ưu thứ nhất, ứng với mỗi khoảng lệch sớm – muộn 1ta có khá nhiều bộ hệ số ( ) để có thể nhận được hàm đầu ra bộ so pha của cấu trúc MGD không còn các điểm khóa nhầm. Sang đến giai đoạn thứ hai, trên cơ sở tập hệ số này, ứng với mỗi khoảng lệch sớm – muộn cần phải tìm ra ít nhất một bộ hệ số ( ) mà giúp cho cấu trúc MGD có khả năng giảm ảnh hưởng đa đường tốt nhất. Để đánh giá hiệu quả giảm nhiễu đa đường, tiêu chí được sử dụng là đường bao lỗi đa đường MEE như ở trong [53]. Trong trường hợp này, khả năng giảm nhiễu đa đường của DLL sử dụng cấu trúc MGD là tối ưu nếu lỗi trung bình nhỏ, sai số cực đại nhỏ và giá trị cực đại của trễ đa đường mà sau đó giá trị của MEE tiến về 0 cũng có giá trị nhỏ. Để thuận tiện khi đánh giá, các tiêu chí này được kết hợp lại thành tiêu chí miền bao phủ (enclosed area).
Hình 3.20. Minh họa miền bao phủ của lỗi bám mã với cấu trúc MGD có
1 0.2 ; 2, 3 0.5; 0.6
chip a a
Hình 3.20 minh họa miền bao phủ của cấu trúc MGD với các tham số của DLL được cho ở hình vẽ. Tuy nhiên, do MEE thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tốc độ mã PRN, tạp âm AWGN, sai số trong quá trình đồng bộ sóng mang nên để xét riêng ảnh hưởng của đa đường, cần thiết lập các điều kiện ban đầu như: không có tạp âm AWGN, chiều dài mã PRN